En colaboración con la industria, Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han completado la primera prueba del mundo real de una forma potencialmente mejorada de medir las emisiones de las chimeneas en las centrales eléctricas de carbón. Los investigadores están presentando su trabajo esta semana en la Conferencia Internacional de Medición de Flujos de 2019 (FLOMEKO) en Lisboa, Portugal.

Cada año, para cumplir con los requisitos establecidos por la Agencia de Protección Ambiental (EPA), las centrales eléctricas de carbón deben tener sus emisiones de chimeneas auditadas, o verificado por un tercero independiente. Los investigadores del NIST querían hacer esta prueba más rápida para ahorrar dinero a las plantas durante sus auditorías, al mismo tiempo que mejora la precisión de los sensores. Entonces, un equipo del NIST ha diseñado nuevas sondas para detectar las tasas de flujo de las emisiones y un nuevo método de medición que podría acelerar las auditorías in situ en un factor de 10, dicen los investigadores.

Los resultados del trabajo de campo fueron "prometedores, "dijo el ingeniero del NIST Aaron Johnson, y estaban razonablemente de acuerdo con los resultados del laboratorio. "Nos sorprendió; le fue bastante bien en comparación con lo que la EPA tiene en sus libros como su método de 'mejores prácticas'".

Para monitorear las emisiones de las centrales eléctricas de carbón, Los técnicos deben medir la velocidad a la que se emite el gas de combustión desde la chimenea. El flujo dentro de la chimenea contiene remolinos y remolinos, pero generalmente viaja hacia arriba. En las pruebas NIST, cuatro sondas, llamadas tubos pitot, se insertan horizontalmente en la chimenea.

Cada una de las cuatro sondas realiza una medición de flujo en cuatro puntos diferentes, para un total de 16 mediciones. Con esta información, Los científicos del NIST podrían probar la precisión y exactitud de un nuevo diseño y método de medición de tubos de Pitot.

NIST realizó este trabajo como parte de un acuerdo de investigación y desarrollo cooperativo (CRADA) con el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), una organización independiente sin fines de lucro cuyos miembros incluyen compañías de servicios eléctricos, empresas y agencias gubernamentales.

"Las unidades generadoras de electricidad a carbón pueden beneficiarse del trabajo actual del NIST al contar con estándares y técnicas mejorados para medir las emisiones masivas con mayor precisión, con mayor confianza en que todas las entidades informan de manera uniforme, ", dijo el gerente del programa EPRI, Tom Martz. Agregó que el ahorro de tiempo potencial" no es algo que podamos cuantificar con precisión en este momento, pero este será un objetivo clave del trabajo futuro ".

El objetivo final es proporcionar investigación que la EPA algún día pueda desarrollar en un nuevo estándar para la calibración de emisiones de chimeneas.

"Las ventajas para la industria son que reducirá el tiempo y el costo de la prueba y tiene el potencial de ser más precisa" que las sondas estándar de la industria actuales, Johnson dijo.

Incluso si la EPA no crea un nuevo estándar, sin embargo, el trabajo podría tener beneficios para la industria al brindar a las empresas de plantas de energía más opciones para administrar sus pruebas de emisiones. "Nuestro objetivo es que se redacte como un estándar de la EPA, ", Dijo Johnson." Pero aún depende de los miembros de la industria decidir si quieren usarlo ".

Ir con el flujo

Las chimeneas de las centrales eléctricas de carbón están equipadas con monitores que miden continuamente la concentración de las emisiones de gases de combustión. que incluyen dióxido de carbono, mercurio, dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno, así como el caudal de los gases de combustión. Por ley federal, los sensores de caudal integrados deben calibrarse, es decir, verificada la precisión durante la auditoría anual.

Para realizar la calibración anual, los auditores utilizan pequeños dispositivos portátiles llamados tubos pitot. Los técnicos de auditoría trepan por la chimenea, generalmente de varias docenas de metros (cientos de pies) de altura, e insertan sus sondas pitot horizontalmente en los gases que se abren paso por la chimenea. Toman varias lecturas del flujo en varios puntos dentro de una sección transversal de la pila, que suele tener 7 u 8 metros (25 pies) de diámetro.

Con mucho, el tipo de sensor más común utilizado para este trabajo es una "sonda S". Tiene dos agujeros, o puertos. Un puerto mira directamente al flujo de gas y detecta la presión que se acumula en el tubo. El otro puerto mira en la dirección opuesta. Cuanto más rápido sea el flujo, cuanto mayor sea la diferencia de presión entre los dos puertos; La medición de esta diferencia de presión permite a los auditores calcular la velocidad del flujo.

Las sondas S no requieren calibración, pero cada medición puede tardar varios minutos, ya que el técnico tiene que rotar manualmente el sensor hasta que un lado esté orientado directamente hacia el flujo. Esto es complicado porque el flujo no viaja necesariamente directamente hacia arriba en el punto que se está probando. En la base de la pila, los gases de combustión generalmente viajan alrededor de una curva cerrada, lo que crea complicados remolinos y remolinos que no desaparecen ni siquiera en las chimeneas altas.

El uso de S-probes es tan laborioso que una calibración anual in situ puede tardar un día o más en completarse. "Y la planta de energía pierde dinero todo el tiempo que los auditores están allí, por lo que quieren que los técnicos entren y salgan lo más rápido posible, "Dijo Johnson.

Para acelerar este proceso, los científicos del NIST han realizado tres innovaciones. Primero, han creado dos nuevos modelos de tubos pitot, con cinco agujeros en lugar de dos, que funcionan mejor que las sondas S y pueden ofrecer ventajas sobre otros modelos de cinco orificios de tubos pitot actualmente en uso.

Las sondas, diseñado por el físico del NIST Iosif Shinder, vienen en dos formas:hemisférica y cónica.

Segundo, los científicos han desarrollado un esquema de calibración para sus nuevos sensores que no requiere que un técnico gire la sonda dentro de una chimenea para encontrar la verdadera dirección del flujo para cada medición. Entonces, aunque los sensores tendrían que calibrarse antes de su uso, tardarían mucho menos en utilizarse durante una auditoría real.

Tercera, Jim Filla de NIST desarrolló un software que es compatible con un sistema automatizado disponible comercialmente para medir el flujo en tiempo real.

El acuerdo real

Hasta ahora, el rendimiento de las nuevas sondas se había medido solo en las instalaciones de prueba del NIST, que incluye un simulador de chimenea a escala y un túnel de viento. Pero los laboratorios del NIST no pueden replicar todos los aspectos de una planta de energía real, como la presencia de hollín en el flujo de la chimenea.

"Una cosa es probarlo en nuestro túnel de viento, "Dijo Johnson." Otra cosa es prepararse para probarlo en una pila que está a 120 grados F. "

La primera carrera de campo, en julio de 2018, tuvo lugar en una planta de gas natural, donde el flujo es relativamente sencillo de medir.

El segundo, en septiembre de 2018, se llevó a cabo en una central eléctrica de carbón con un flujo particularmente complicado.

La planta de carbón tenía una plataforma cerrada donde se insertaban los tubos pitot en la chimenea. Pero la plataforma de la planta de gas natural estaba abierta a los elementos. Y a aproximadamente 45 metros (145 pies) en el aire, "las cosas tiemblan, ", dijo el técnico del NIST Joey Boyd." Mientras trabaja, la pila se balancea, y el suelo debajo de ti se está moviendo ".

Cuando los investigadores del NIST analizaron los datos, sus resultados fueron prometedores, estando de acuerdo dentro del 2% con sus hallazgos de laboratorio.

"Las sondas funcionaron igual de bien en la chimenea que en las instalaciones de prueba del NIST, "Dijo Johnson.

Las pruebas de campo futuras ayudarán a los investigadores a resolver el mayor problema que tenían:obstrucción del sensor, en el que los puertos de los tubos de Pitot se adhieren con agua y partículas y deben enjuagarse antes de que pueda continuar la prueba.

También, el trabajo les enseñó que necesitaban escribir un software especial que señalizara a sus equipos cada vez que había una "purga":una ráfaga de aire a alta presión a través de la sonda pitot que podría dañar una parte clave del aparato si ciertas válvulas no se cerraban a tiempo .